中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，属于工程仿生【技术领域】。有益之处：（1）本发明充分考虑到了中大型转子叶片“以翼弦为特征长度的雷诺数在叶片径向方向是变化的”这一重要事实，较现有的以部分考虑或完全忽视该事实为基础所进行的非均匀渐变甚至沟槽等宽度、无差别化、均一型设计更加科学、合理；（2）本发明提供的均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法较现有非均匀渐变以及抽象、简化型低逼真度仿鲨鱼减阻降噪微结构设计更能保证其更加高效的实际使用效果，有助于使转子叶片虚拟分区内的每一部分都能接近或最大化的模拟生物机能。
【专利说明】中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，更特别地说，是指根据转子叶片不同径向区域线速度的不同进行高逼真仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构的均匀渐变化设计以实现高效仿生减阻降噪的方法，属于工程仿生【技术领域】。
【背景技术】
[0002]以“鲨鱼皮效应”著称的鲨鱼是生物进化的成功典范，目前已知的“鲨鱼皮效应”耦合了减阻、降噪、脱附、防护等多种生物机能，而鲨鱼表皮盾鳞的微米级沟槽结构是促成“鲨鱼皮效应”的重要结构要素，近年来人们已将仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构应用于飞机、舰船、潜艇等多种大型装备的设计，以解决某些工程实际问题。
[0003]转子系统的大型化是降低使用成本的重要途径之一。随着转子系统额定功率的增力口，作为关键部件的转子叶片直径也迅速增大，目前中大型转子系统转子叶片的长度多在3m以上，其运行时的风阻及噪声问题显得尤为严重。风阻过大将降低系统效率，噪声过大将引发环境污染、振动疲劳以及裂纹失效，因而中大型转子叶片的减阻降噪设计成为提高转子效率及设备可靠性的重要保障和设计难点。减阻的同时也意味着降噪，具有减阻降噪功能的鲨鱼皮为中大型转子叶片设计提供了生物范例。例如，申请号为10/802568的美国专利公开了一种采用简化型“U”形沟槽设计以模拟鲨鱼皮沟槽微结构的风力发电机叶片，将上述仿鲨鱼表皮微结构均一化地粘贴或加工到叶片表面可实现阻力及噪声的有效控制。
[0004]然而，现有的低逼真度、均一型仿鲨鱼表皮微结构对于中大型转子型运动部件的减阻降噪仍存在较大的改进空间。原因在于:研究表明，一方面沟槽截面形状以及沟槽宽度是决定“鲨鱼皮效应”的重要结构要素，所设计的仿鲨鱼沟槽微结构其逼真度越高，则仿生减阻降噪的实际效果越显著；另一方面为了达到最佳减阻效率，不同的速度均对应一个最佳的沟槽宽度。而对于中大型转子叶片而言，其正常运转时不同径向位置区域的线速度各不相同，甚至差别较大，若简单的采用低逼真度、非均匀渐变甚至均一型仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构设计，显然无法在径向不同位置区域同时实现高效的减阻降噪效果，且对于整机可靠性及寿命的提高亦较为有限。
[0005]因此，若要在中大型转子叶片上实现高效率、高可靠性的减阻降噪设计，进行高逼真、均匀渐变型仿生微结构的设计势在必行。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，以解决上述技术问题。
[0007]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，包括如下步骤: 第一步:中大型转子叶片虚拟分区及参数提取(A)兼顾减阻降噪必要性及后续加工经济性，在每个中大型转子叶片正反两面上虚拟地各划设一条与其回转轨迹相一致的分界线，将叶尖与该分界线之间的叶片区域作为实施仿鲨鱼沟槽微结构设计的区域；
(B)从后续加工经济性角度将叶片正反两面上具有微小结构尺寸差别的对应分区视为完全相同，进而根据叶片翼型及设计尺寸，分别提取叶尖及经(A)步骤划设的虚拟分界线处叶片翼弦的弦长值；
(C)根据中大型转子叶片的设计额定转速及叶片尺寸，提取叶尖及经(A)步骤划设的虚拟分界线所处回转半径的数值，进而计算叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的线速度；
第二步:转子叶片虚拟分区边界处最佳沟槽宽度流体计算
(A)根据第一步计算出的叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的线速度，并以第一步提取出的叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的弦长值作为几何特征长度，按照公式I计算转子叶片虚拟分区两个边界处的雷诺数兄，式中K为叶片翼弦线速度，L为叶片翼弦的几何特征长度，P为流体介质密度，U为流体介质动力粘度；
Rs = PVL I μ(I)
(B)根据经(A)步骤计算出的转子叶片虚拟分区边界处雷诺数兄的数值范围，按照史里希丁公式2计算转子叶片虚拟分区边界处湍流边界层的摩阻系数仏；
【权利要求】
1.中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，包括: 第三步:鲨鱼盾鳞沟槽微结构生物原型提取 (A)选择典型高游速鲨鱼并裁切出一定面积的新鲜鲨鱼皮，借由适当的预处理工艺，制得鲨鱼皮生物模板，进而作为中大型转子叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的生物原型； (B)对经(A)步骤制得的鲨鱼皮生物模板进行高精度三维表面轮廓扫描，得到其高精度表面形貌图像，提取鲨鱼盾鳞沟槽微结构的横截面轮廓曲线，进而提取沟槽宽度、鳞脊高度、鳞片倾角以及有关沟槽截面轮廓的具体数据； 其特征在于，还包括如下步骤: 第一步:中大型转子叶片虚拟分区及参数提取 (A)兼顾减阻降噪必要性及后续加工经济性，在每个中大型转子叶片正反两面上虚拟地各划设一条与其回转轨迹相一致的分界线，将叶尖与该分界线之间的叶片区域作为实施仿鲨鱼沟槽微结构设计的区域； (B)从后续加工经济性角度将叶片正反两面上具有微小结构尺寸差别的对应分区视为完全相同，进而根据叶片翼型及设计尺寸，分别提取叶尖及经(A)步骤划设的虚拟分界线处叶片翼弦的弦长值； (C)根据中大型转子叶片的设计额定转速及叶片尺寸，提取叶尖及经(A)步骤划设的虚拟分界线所处回转半径的数值，进而计算叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的线速度； 第二步:转子叶片虚拟分区边界处最佳沟槽宽度流体计算 (A)根据第一步计算出的叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的线速度，并以第一步提取出的叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的弦长值作为几何特征长度，按照公式I计算转子叶片虚拟分区两个边界处的雷诺数兄，式中K为叶片翼弦线速度，L为叶片翼弦的几何特征长度，P为流体介质密度，U为流体介质动力粘度； Re = pVL Jμ(I) (B)根据经(A)步骤计算出的转子叶片虚拟分区边界处雷诺数兄的数值范围，按照史里希丁公式2计算转子叶片虚拟分区边界处湍流边界层的摩阻系数仏；
2.根据权利要求1所述的中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于:所述中大型转子叶片的长度范围为3m~60m。
3.根据权利要求1所述的中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于:所述转子叶片虚拟分区涵盖的范围为沿叶尖到回转中心方向上15%~85%的区域。
4.根据权利要求1所述的中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于:所述高逼真仿鲨鱼沟槽微结构与生物原型相比，其逼真度为75%~95%。
5.根据权利要求1所述的中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征 在于:所述高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的沟槽方向应与转子叶片的回转方向保持一致。
【文档编号】F04D29/26GK103953580SQ201410226639
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】韩鑫 申请人:山东理工大学